Номер 7, страница 319 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

7. Каков механизм развития самостоятельного электрического разряда?

Самостоятельный электрический разряд — это газовый разряд, который способен существовать и поддерживаться самостоятельно после прекращения действия внешнего ионизатора (например, ультрафиолетового облучения). Его механизм развития представляет собой цепной процесс, в основе которого лежат два явления: ударная ионизация и вторичные процессы, обеспечивающие воспроизводство носителей заряда.

Ударная ионизация и электронная лавина

В газе всегда присутствует небольшое количество свободных электронов, возникших под действием естественных факторов. При наличии достаточно сильного электрического поля между электродами, такой свободный электрон ускоряется и на пути к аноду (положительному электроду) накапливает кинетическую энергию. Если эта энергия превышает энергию ионизации атома газа ($W_k > W_i$), то при столкновении с нейтральным атомом электрон выбивает из него еще один электрон. Этот процесс называется ударной ионизацией. В результате вместо одного первичного электрона появляются два, а также образуется положительно заряженный ион. Оба электрона вновь ускоряются полем и вызывают ионизацию других атомов. Число электронов и ионов нарастает лавинообразно, формируя электронную лавину. Эта лавина быстро движется к аноду.

Вторичные процессы и самоподдержание разряда

Одной электронной лавины недостаточно для поддержания разряда. Чтобы разряд стал самостоятельным, необходимо непрерывное возобновление процесса, то есть появление новых "затравочных" электронов у катода (отрицательного электрода). Эту функцию выполняют вторичные процессы:

• Вторичная электронная эмиссия с катода. Положительные ионы, образовавшиеся в лавине, медленно движутся к катоду. Ударяясь о его поверхность, они выбивают из него новые (вторичные) электроны. Кроме того, в ходе лавины образуются возбужденные атомы, которые при возвращении в основное состояние испускают фотоны (свет). Эти фотоны, попадая на катод, также вызывают эмиссию электронов (фотоэлектрический эффект).

• Фотоионизация в объеме газа. Испущенные возбужденными атомами фотоны могут ионизировать нейтральные атомы непосредственно в газовом промежутке, создавая новые электрон-ионные пары.

Когда эти вторичные процессы в совокупности генерируют в среднем хотя бы один новый электрон, способный инициировать новую лавину, на каждую уже завершившуюся лавину, разряд становится самоподдерживающимся. Математически это условие (критерий Таунсенда) записывается как $\gamma (e^{\alpha d} - 1) \ge 1$, где $\alpha$ — коэффициент ударной ионизации, $\text{d}$ — расстояние между электродами, а $\gamma$ — коэффициент вторичных процессов. При выполнении этого условия происходит электрический пробой газа, и возникает самостоятельный разряд.

Ответ: Механизм развития самостоятельного электрического разряда заключается в лавинообразном размножении электронов и ионов за счет ударной ионизации атомов газа в сильном электрическом поле (создание электронных лавин), при этом непрерывность процесса обеспечивается вторичными процессами (в основном эмиссией электронов с катода под действием ионов и фотонов), которые генерируют новые "затравочные" электроны для запуска последующих лавин.